Tài liệu Luận văn nghiên cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THẾ NAM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRỊNH LÊ HÙNG Hà Nội – 2014 Lời cảm ơn Luận văn này được thực hiện tại bộ môn Hoá môi trường - khoa Hoá Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Trịnh Lê Hùng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong bộ môn Hoá môi trường, các bạn và các em trong phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa công nghệ đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Hà Nội, tháng 7 năm 2014 Học viên Lê Thế Nam DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ …………......................………………..41 Bảng 1.2. Một số vi khuẩn sinh metan …………….…………................................…42 Bảng 2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của amoni...............................................…51 Bảng 2.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrit……….................……..........…..54 Bảng 2.3. Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrat……….……...............................57 Bảng 2.4. Kết quả dựng đường chuẩn PO43-……………….........................................60 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm yếm khí lần 1…….............................…………............63 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm yếm khí lần 2 ……………............................................63 Bảng 3.3. Kết quả trung bình thí nghiệm xử lý yếm khí………...........………............64 Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm hiếu khí lần 1…………..........................……..........….68 Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm hiếu khí lần 2…...............................…………..........…69 Bảng 3.6. Kết quả trung bình thí nghiệm xử lý hiếu khí………...................................69 Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm yếm khí và hiếu khí trong 4 ngày…...…...............……75 Bảng 3.8. Phần trăm N chuyển hóa thành NH4+, NO2-, NO3- qua các ngày….............79 Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm yếm khí trước trong 3 ngày, sau đó tiếp tục xử lý hiếu khí trong 3 ngày và ngược lại....……........................................................................…80 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sự phụ thuộc của nồng độ Clo dư trong nước vào nồng độ Clo xử lí nước có và không có NH3...........................................................................................................13 Hình 1.2. Vi khuẩn Nitrosomonas ................................................................................18 Hình 1.3. Vi khuẩn Nitrobacter ....................................................................................18 Hình 1.4. Vi khuẩn Bacillus..........................................................................................20 Hình 1.5. Vi khuẩn Pseudomonas.................................................................................20 Hình 1.6. Cơ chế sinh hóa giả thiết của phản ứng Anammox.......................................27 Hình 1.7. Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia....................................................28 Hình 1.8. Chu trình N trong tự nhiên ...........................................................................35 Hình 1.9. Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học......................................46 Hình 2.1. Phương trình đường chuẩn của amoni..........................................................51 Hình 2.2. Phương trình đường chuẩn của nitrit.............................................................55 Hình 2.3. Phương trình đường chuẩn của nitrat............................................................58 Hình 2.4. Phương trình đường chuẩn của photphat.......................................................60 Hình 3.1. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm yếm khí......................................64 Hình 3.2. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm yếm khí..................................65 Hình 3.3. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm yếm khí....................................66 Hình 3.4. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm yếm khí...................................67 Hình 3.5. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm yếm khí..............................68 Hình 3.6. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm hiếu khí......................................70 Hình 3.7. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm hiếu khí..................................71 Hình 3.8. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm hiếu khí....................................72 Hình 3.9. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm hiếu khí...................................73 Hình 3.10. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm hiếu khí............................74 Hình 3.11. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày .....75 Hình 3.12. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày.76 Hình 3.13. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày....77 Hình 3.14. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày...77 Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày................................................................................................................................78 Hình 3.16. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí.....81 Hình 3.17. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí...................................................................................................................................82 Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí...................................................................................................................................82 Hình 3.19. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí...................................................................................................................................83 Hình 3.20. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm kết hợp yếm khí và hiếu khí ........................................................................................................................................84 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ------------------------------------------------------------------------------------------------AOB Ammonium oxidizing bacteria Vi khuẩn oxi hóa amoni BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi sinh hóa (hay sinh học) COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hoá học DO Dissolved oxigen Oxi hòa tan EPA Environmental Protection Agency Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ FA Free amoni Amoni tự do FNA Free nitrogen amonium Amoni tự do HRT Hydranliz Retention Time Thời gian lưu thủy lực MAP Magie Amoni Photphat, MgNH4PO4.6H2O SRT Sludge Retention Time Tuổi của bùn WHO World Health Organization Tổ chức y tế thế giới MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..........................................................................................3 1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất Nitơ trong nước...........3 1.1.1. Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay....................................................3 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước............................................4 1.1.3. Nguyên nhân ....................................................................................................7 1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người..........................7 1.1.5. Nguồn gây ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ.....................................................9 1.1.5.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên....................................................9 1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người ..................................................10 1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ..................10 1.2.1 Các phương pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni.....................................11 1.2.1.1. Làm thoáng để khử amoni (Air stripping).............................................11 1.2.1.2. Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến (break point)..........................12 1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion (Ion Exchange).............................................14 1.2.1.4. Phương pháp điện hóa............................................................................15 1.2.1.5. Phương pháp tạo kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP)......................15 1.2.2. Các phương pháp sinh học tách loại amoni....................................................16 1.2.2.1. Các điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học....................................16 1.2.2.2. Phương pháp sinh học truyền thống.......................................................17 1.2.2.3. Phương pháp sinh học Sharon................................................................21 1.2.2.4. Phương pháp sinh học Anammox..........................................................26 1.2.3. Xử lý nước thải chứa amoni bằng phương pháp bãi lọc trồng cây ngập nước (wetland)..................................................................................................................29 1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới.................................30 1.2.3.2. Các ưu - nhược điểm chính của bãi lọc trồng cây..................................32 1.3. Đánh giá các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải............................................32 1.4. Quá trình chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước thải........................................33 1.4.1. Hệ vi khuẩn của nước thải..............................................................................33 1.4.2. Quá trình amoni hóa sinh học.........................................................................35 1.4.3. Quá trình nitrat hóa sinh học..........................................................................36 1.4.4. Đenitrat hóa....................................................................................................38 1.4.5. Quá trình yếm khí...........................................................................................39 1.4.6. Quá trình hiếu khí...........................................................................................44 1.4.7. Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải do vi sinh vật..............................46 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM.......................................................................................................................47 2.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................47 2.2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................47 2.3. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................47 2.4. Phương pháp phân tích............................................................................................47 2.4.1. Phương pháp xác định COD bằng kalibicromat.............................................47 2.4.2. Xác định hàm lượng amoni............................................................................48 2.4.3. Xác định hàm lượng Nitrit (NO2-) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử Griss..........................................................................................................52 2.4.4. Xác định nitrat (NO3-) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử phenoldisunfonic.......................................................................................................55 2.4.5. Xác định photphat (PO43-) trong nước bằng phương pháp trắc phổ dùng amoni molipđat.........................................................................................................58 2.5. Thực nghiệm ..........................................................................................................61 2.5.1. Quá trình yếm khí...........................................................................................61 2.5.2. Quá trình hiếu khí...........................................................................................61 2.5.3. So sánh giữa yếm khí và hiếu khí...................................................................62 2.5.4. Nghiên cứu trật tự yếm khí và hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải............................................................................................................................62 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................63 3.1. Kết quả thí nghiệm xử lý yếm khí...........................................................................63 3.2. Kết quả thí nghiệm xử lý hiếu khí...........................................................................68 3.3. Kết quả thí nghiệm xử lý yếm khí và hiếu khí trong cùng một thời gian 4 ngày................................................................................................................................75 3.4. Kết quả thí nghiệm xử lý phối hợp giữa yếm khí và hiếu khí...................................................................................................................................80 KẾT LUẬN ..................................................................................................................85 KIẾN NGHỊ..................................................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................87 MỞ ĐẦU Các hợp chất Protein (với hàm lượng Nitơ chiếm từ 15 đến 18%) được coi là các chất nền tảng của sự sống, phổ biến rộng rãi trong thế giới sống của chúng ta. Chúng tồn tại đa dạng trong tất cả các cơ thể sống và vì vậy các hợp chất của nitơ chính là nguồn dinh dưỡng bảo đảm cho sự phát sinh và phát triển của sinh vật nói chung. Trong quá trình trao đổi chất của sự sống, nguyên tố nitơ đã tạo thành một chu trình khép kín gồm rất nhiều chất với cấu tạo hóa học phức tạp. Với quá trình chuyển hóa này, nguyên tố nitơ đã tạo ra nhiều chất có lợi nhưng đồng thời cũng sinh ra nhiều chất có hại. Biết khai thác những chất có lợi và hạn chế những chất có hại chính là tìm ra những phương pháp xử lý thích hợp. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay chủ yếu là do các nguồn thải của các hợp chất chứa nitơ bị vi sinh vật phân hủy thành các hợp chất hòa tan trong nước nhưng chưa được xử lý. Trong số các chất gây ô nhiễm này, amoni là dạng phổ biến nhất. Nó gây hại cho động vật và người, nhưng ở một mức độ nhất định lại có lợi cho thực vật và vi sinh vật vì đó là dinh dưỡng trực tiếp của chúng. Trên thực tế, các cơ sở chôn lấp rác hoặc tập kết rác thải sinh hoạt, các cơ sở chăn nuôi tập trung có các hầm yếm khí xử lý phân của chúng để tận thu biogas, nước thải sinh hoạt hàng ngày, nước các ao hồ nuôi trồng thủy sản, các cơ sở sản xuất phân đạm, các cơ sở sản xuất công nghiệp và nông nghiệp có sử dụng các muối kép chứa Amoni nói chung,... đều là các nơi phát sinh ra amoni với hàm lượng rất cao. Nếu không xử lý, chúng sẽ hòa tan theo dòng nước lan tỏa vào nguồn nước bề mặt và thẩm lậu xuống các nguồn nước ngầm gây ra ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh vật nói chung và con người nói riêng. Nhìn chung hiện nay ở nước ta, tình hình xử lý Amoni đối với các loại nước thải có hàm lượng cao hay thấp đều chưa có giải pháp thích hợp. Để góp phần tìm hiểu về chu trình nitơ và sự phân hủy tự nhiên nhờ vi sinh vật đối với các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là Protein, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên 1 cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí và hiếu khí ” nhằm góp phần tăng cường sự hiểu biết chung về nitơ để có thể làm chủ trong quá trình xây dựng hệ thống xử lý và vận hành hợp lý các nhà máy xử lý nước thải . 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất Nitơ trong nước 1.1.1. Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay Hiện nay, ở Việt Nam mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn là một vấn đề rất đáng lo ngại. Với tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa khá nhanh, sự gia tăng về dân số đã gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Tình trạng ô nhiễm nước thấy rõ nhất là ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác. Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt có rất ít các hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp đổ ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác còn rất nhiều các cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế chưa có hệ thống xử lý nước thải, một lượng lớn chất thải rắn trong thành phố không thu gom hết được… là những nguồn đáng kể gây ô nhiễm nguồn nước. Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng. Ở thành phố Hà Nội, tổng lượng nước thải của thành phố lên tới 300.000 đến 400.000 m3/ngày, hiện mới chỉ có 5/31 bệnh viện có hệ thống xử lý nước thải, chiếm 25% lượng nước thải bệnh viện; 36/400 cơ sở sản xuất có xử lý nước thải, lượng nước thải sinh hoạt chưa được thu gom khoảng 1.200m3/ngày đang xả vào các khu đất ven hồ, kênh, mương trong nội thành. Chỉ số BOD, oxy hòa tan, các chất NH4+, NO2-, NO3ở các sông, mương nội thành đều vượt quá quy định cho phép. Ở thành phố Hồ Chí Minh, lượng rác thải lên tới gần 4000 tấn/ngày, chỉ có 24/142 cơ sở y tế lớn là có xử lý nước thải, 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm thuộc diện phải di dời. 3 Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và các thành phố khác như Hải Phòng, Nam Định, Hải Dương, Đà Nẵng… nước thải sinh hoạt cũng không được xử lý, độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn, nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước bề mặt và cả nguồn nước ngầm về mặt hữu cơ, vi sinh và vô cơ ngày càng cao. Trong sản xuất nông nghiệp do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khỏe của nhân dân. Theo thống kê của Bộ Thủy sản, tổng diện tích nước mặt sử dụng cho nuôi trồng thủy sản đến năm 2010 của cả nước là 1,1 triệu ha. Do nuôi trồng thủy sản ồ ạt, thiếu quy hoạch, không tuân theo quy trình kĩ thuật nên đã gây nhiều tác động tiêu cực tới môi trường nước. Ngoài ra, với việc sử dụng nhiều và không đúng cách các loại hóa chất trong nuôi trồng thủy sản, các thức ăn dư thừa lắng xuống đáy ao, hồ, lòng sông đang làm cho môi trường nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ, làm phát triển một số loài sinh vật gây bệnh và làm xuất hiện một số loại tảo độc, thậm chí đã có dấu hiệu xuất hiện thủy triều đỏ ở một số vùng ven biển Việt Nam. Như vậy, có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước như: sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu, nhận thức của người dân còn nhiều hạn chế… Đáng chú ý là sự bất cập trong hoạt động quản lý, bảo vệ môi trường. Nhận thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổ chức và cá nhân có trách nhiệm về nhiệm vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâu sắc và đầy đủ. Cơ chế phân công giữa các cơ quan, các ngành chưa đồng bộ, chưa quy định trách nhiệm rõ ràng… 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước Hiện nay, do thực trạng hệ thống cấp – thoát nước, xử lí nước cấp và nước thải, chất thải rắn chưa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển của các ngành công – nông 4 nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chưa kể đến các quá trình diễn ra trong tự nhiên, ở điều kiện địa chất – thủy văn phức tạp ở vùng châu thổ sông Hồng, đã gây cho nguồn cấp nước duy nhất hiện nay – nguồn nước ngầm, nguy cơ ô nhiễm ngày càng cao, trong đó có ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ. Theo tiêu chuẩn quy định của Bộ Y tế, đối với nước cấp dùng cho nước sinh hoạt, hàm lượng nitrat (NO3-) không được vượt quá 10 mg/lít (tương đương với tiêu chuẩn của WHO và EPA đối với nước cấp uống trực tiếp. Tiêu chuẩn của EPA đối với NO2- trong nước cấp uống trực tiếp không được vượt quá 1 mg/lít, trong khi giá trị tiêu chuẩn quy định của Bộ Y tế, đối với nước cấp dùng cho sinh hoạt là 0 mg/lít. Qua nghiên cứu cho thấy phần lớn nước dưới đất tầng chứa nước Qc và Qa vùng Hà Nội chưa bị nhiễm bẩn NO2-, trừ một số khu vực có dấu hiệu nhiễm bẩn đến mức vừa (khu vực Lương Yên, Thủy Lợi), chúng mang tính cục bộ. Khu vực Lương Yên trong 64 số mẫu chỉ có 6 mẫu vượt giới hạn, chiếm 9,4%. Khu vực Thủy Lợi trong 10 mẫu phân tích chỉ có một mẫu vượt giới hạn, chiếm 10%. Một số khu vực khác như Ngô Sỹ Liên, Yên Phụ, Ngọc Hà, Mai Dịch, mẫu có giá trị NO2- vượt giới hạn chỉ chiếm 1 – 2% tổng số mẫu phân tích. Sự ô nhiễm NO2- và NO3- hiện chưa đáng kể và chưa vượt quá giới hạn cho phép. Tuy nhiên tại một số nơi có những xuất hiện dị thường đáng lo ngại, phần lớn tập trung ở dải phía Nam tính từ khoảng đê La Thành trở xuống, gồm Thanh Trì, Yên Sở, gò Đống Đa, Đại học Ngoại ngữ, Thượng Đình, Viện Quân Y 103, cơ khí Quang Trung, nhà máy Phân lân, pin Văn Điển (nồng độ NO3- có khi tới 6 – 7 mg/lít).[10] Hàm lượng NH4+ trong nước cấp sinh hoạt theo tiêu chuẩn quy định của Bộ Y tế không được vượt quá 3 mg/lít (đối với nước ngầm) và 0 mg/lít (đối với nước mặt). Theo tiêu chuẩn Châu Âu, trong nước cấp uống trực tiếp, NH4+ không vượt quá 0,5 mg/lít. 5 Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nội, Ninh Bình, Hải Dương … đều bị nhiễm Amoni NH 4+rất nặng, vượt tiêu chuẩn nhiều lần. Tại Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, xác xuất các nguồn nước ngầm nhiễm Amoni ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn là khoảng 70 – 80%. Ngoài Amoni, không ít nguồn còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ. Như vậy tình trạng nhiễm bẩn Amoni và hợp chất hữu cơ trong nước ngầm ở Đồng bằng Bắc Bộ đã đến mức báo động và khả năng tác động của Amoni lên cơ thể con người là chắc chắn. Kết quả khảo sát mới đây của Liên đoàn địa chất thủy văn – địa chất công trình miền Bắc cho thấy, hàm lượng Amoni, Nitrat, Nitrit, … trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt nhiều lần chỉ tiêu cho phép, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên Quyết định 1329 của Bộ Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng Amoni: 1,5mg/L. Trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao hơn từ 20 đến 30 lần. Tầng nước ngầm trên (cách mặt đất từ 25m đến 40m) – nơi người dân khai thác bằng đào giếng khoan – đã ô nhiễm nặng ở nhiều nơi. Điển hình là xã Pháp Vân có hàm lượng Amoni là 31,6 mg/L. Phường Tương Mai có hàm lượng Amoni 13,5 mg/L. Các phường Trung Hòa, xã Tây Mỗ, xã Trung Văn ... đều có hiện trạng tương tự. Nguy hại hơn, mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian, xã Yên Sở trong năm 2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng Amoni là 37,2 mg/L nay đã tăng lên 45,2 mg/L, phường Bách Khoa mức nhiễm từ 9,4 mg/L, nay tăng lên 14,7 mg/L. Có nơi chưa từng bị nhiễm Amoni song nay cũng đã vượt tiêu chuẩn cho phép như Long Biên, Tây Mỗ, Đông Ngạc ... Hiện nguồn nước nhiễm bẩn đã lan rộng trên toàn thành phố. Tầng nước ngầm dưới (cách mặt đất từ 45m đến 60m) là nguồn cung cấp cho các nhà máy cũng bị nhiễm bẩn. Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm bẩn 6 Amoni” do Sở Giao thông Công Chính Hà Nội đã nghiệm thu cho thấy: “Do cấu trúc địa chất, nước ngầm Nhà máy nước Tương Mai có hàm lượng sắt và Amoni NH4+ là 612, có khi 18 mg/L; Hạ Đình là 12-20, có khi 25 mg/L; Pháp Vân: 15-30, có khi 40 mg/L” [3, 4]. 1.1.3. Nguyên nhân Các chất hữu cơ chứa nitơ đã gây ô nhiễm sẽ từ nước mặt thấm xuống nước dưới đất. Đó là nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm. Như vậy nếu nguồn nước mặt bị ô nhiễm thì sẽ dẫn đến nguồn nước ngầm cũng bị ô nhiễm. Ngoài ra quá trình lắng đọng giữ lại cũng như hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quá trình phân giải tự nhiên (protein, amino axit, amit, amin..., hợp chất hữu cơ chứa nitơ nói chung) cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nitơ trong nước. Ở môi trường pH từ 6 – 8, nitơ nằm chủ yếu dưới dạng NH4+. Amoni có thể xuất hiện trong nước ngầm từ nước thải sinh hoạt, bãi chôn lấp phế thải, nghĩa trang ... do kết quả của quá trình Amôn hóa (phân hủy các hợp chất chứa nitơ như đạm, nước tiểu và axit nucleic,...) bởi vi sinh vật hay còn do việc sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu có chứa nitơ và các sản phẩm công nghiệp nói chung. Sự có mặt các ion NH4+ cùng với NO2-, NO3- vượt quá tiêu chuẩn chứng tỏ nguồn nước ngầm đã bị ô nhiễm [1]. 1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người Các hợp chất Nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, nitrit, nitrat và amoni. Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa nitơ hữu cơ, thí dụ: protein và hợp phần của protein. Vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas Protein NO3- Phân hủy NH3 Vi khuẩn đề nitrat hóa Nitrobacter NO2 - NO2-  NO  N2O  N2 7 NO3- - Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. - Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrit (NO2-) là nước đã bị ô nhiễm một thời gian. - Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrat (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy các nitrat chỉ bền ở trong điều kiện hiếu khí, khi ở trong điều kiện thiếu khí hoặc kị khí các nitrat dễ bị khử thành N2O, NO và N2 tách khỏi nước bay vào không khí. [7] Amoni thực ra cũng không quá độc với cơ thể người. Ở trong nước ngầm Amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy. Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển Amoni thành các nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) tích tụ trong nước ăn. Các hợp chất chứa Nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước. Trong những thập niên gần đây, nồng độ nitrat trong nước uống tăng lên đáng kể. Nguyên nhân là do sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ nitrat xuống nước ngầm. Hàm lượng nitrat trong nước uống tăng gây nguy hại về sức khỏe đối với cộng đồng. Bản thân nitrat không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiên nitrat chuyển thành nitrit (do vi sinh vật chuyển hóa khử nitrat) lại có khả năng gây độc. Nitrit ảnh hưởng đến sức khỏe với 2 khả năng sau: Chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng [1]. * Chứng máu Methaemo – globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em) Trẻ nhỏ khoảng 1 tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lưu huyết cầu tố bào thai và do trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hóa nitrat thành nitrit. Nitrit hình thành ở dạ dày, truyền qua đường máu, phản ứng với huyết sắc tố mang oxy, oxy hóa sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của máu, có khả năng gây tử vong do ngột ngạt hóa chất. Ở những quốc gia có nồng độ NO 3- cao, 8 phải cấp nước chai có nồng độ NO3- thấp cho các bà mẹ đang cho con bú và trẻ em được nuôi bằng sữa bình. * Ung thư tiềm tàng Đối với người lớn, NO2- kết hợp với các amino axit trong thực phẩm thành chất Nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền tế bào – nguyên nhân gây bệnh ung thư. Những thí nghiệm cho NO2- vào thức ăn, nước uống của chuột, thỏ... với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thời gian thấy những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng. Ngoài ra, Amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằng clo, do nó phản ứng với clo để tạo thành cloramin, có tác dụng sát khuẩn yếu hơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần). Ngoài ra, nó còn giảm khả năng xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống. Amoni là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật trong nước, kể cả tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi vị, nhiễm khuẩn [5]. 1.1.5. Nguồn gây ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ 1.1.5.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh học, hóa học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí tạo thành một vòng khép kín gọi là chu trình Nitơ. Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ. Lượng này càng được tăng lên do sự phân hủy xác thực vật, chất thải động vật. Hầu hết thực vật không thể trực tiếp sử dụng những dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ dễ hấp thụ. Khi được rễ cây hấp thụ, qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein, clorophin... nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển. Con người và động vật ăn thực vật, sau đó thải cặn bã vào đất 9 cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần như cây họ đậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng ... có khả năng tích tụ nitơ và chuyển hóa trực tiếp nitơ trong khí quyển thành dạng hợp chất của nitơ sử dụng được cho cây. Nitơ đã tạo ra một chu trình kín trong tự nhiên. 1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người Ngoài quá trình hình thành theo con đường tự nhiên lượng ion NO3-, NO2-, NH4+ trong chu trình còn được tăng lên do các nhà máy sản xuất phân đạm, chất thải khu đô thị có hàm lượng nitơ cao. Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước bề mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau: Công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt ... Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Nitrat được thải qua nước thải hoặc rác thải. Trong hệ thống ống khói của các nhà máy này còn chứa nhiều oxit nitơ (NOx) thải vào khí quyển, gặp mưa và tiếp tục một số quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2 làm cho pH giảm và hàm lượng của các ion NO2-, NO3- trong nước tăng lên. Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm cho nước bề mặt. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ, ...làm cho lượng nitrat, amoni trong nước bề mặt và sau đó là nước ngầm ngày càng lớn. Trong nước thải sinh hoạt đều có chứa một lượng nhất định các hợp chất của nitơ hòa tan. Việc nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống các con sông trong thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nước [10]. 1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ Amoni là một thành phần rất hay gặp trong nước thải. Các dòng thải chứa nitơ có thể gây độc đối với môi trường nước, gây ra hiện tượng giảm nồng độ oxi trong 10